FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA -...

19 | 1Nelson • Cox, I PRINCIPI DI BIOCHIMICA DI LEHNINGER, Zanichelli editore S.p.A. Copyright © 2014

FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA

Lo scopo ultimo dei processi metabolici ossidativi è quello di canalizzare l’energia contenuta nello scheletro carbonioso di zuccheri, ac. grassi e amminoacidi nella sintesi di molecole di ATP.

IN CHE MODO?

processi ossidativi catabolici producono NADH e FADH2 (EQUIVALENTI RIDUCENTI)

dalla loro riossidazione si può ottenere l’energia necessaria alla sintesi di ATP.

avviene a carico della catena di trasporto degli elettroni mitocondriale localizzata nella Membrana mitocondriale interna (eucarioti)

o nella Membrana plasmatica (procarioti)

Complesso INADH-deidrogenasi

Complesso IVCitocromo C-ossidasi

Complesso IIICitocromo C-Ubichinolo

-ossidoreduttasi

Complesso IISuccinato-deidrogenasi

NADH e FADH2 si riossidano trasferendo gli e- a centri redox organizzati in complessi

Il flusso degli elettroni lungo la

catena di trasporto è spontaneo, ogni

reazione redoxrisulta esoergonica

La sequenza dei trasportatori lungo la membrana interna mitocondriale non è casuale: sono disposti secondo un ordine di potenziale di riduzione (E0’) crescente, che garantisce un processo redox globalmente esoergonico

NADH + H+ + ½ O2 NAD+ + H2O

ΔG0’complessivo = -nFΔE0’ = -2(96.5)[0.82-(-0.32)] = -220 KJ/mol


1 :H- trasferito sull’FMN

FMNH2 cede i 2 elettroni 1 alla volta ai centri Fe-S e rilascia 2 H+

alla matrice

NADH + H+ + FMN NAD+ + FMNH2

H:- + H+

FMNH2 + Fe+3S FMNH· + Fe+2S1H+ 1e-

FMNH· + Fe+3S FMN + Fe+2S 1H+ 1e-

COMPLESSO I (14>>46 componenti proteiche)(NADH-deidrogenasi o NADH:ubichinone ossidoreduttasi)

I centri Fe-S trasportano solo e-

e solamente 1 alla volta.Sono presenti 8 centri Fe-S che costituiscono un canale per gli e- e li indirizzano all’accettore finale: UBICHINONE

Proviene dai cicli ossidativi

CENTRI Fe-S (è lo ione ferro che trasferisce l’e- cambiando stato di ossidazione: Fe3+ > Fe2+ )

Fe-S Fe2-S2

Fe4-S4

D. Voet, J.G. Voet, C.W. Pratt, FONDAMENTI DI

BIOCHIMICA 2/E, Zanichelli Editore S.p.A.Copyright © 2007

Nella porzione del complesso integrata nella membrana mit. interna è localizzata una pompa protonica (antiporto H+/Na+).

Attivata da cambiamenti conformazionali associati al flusso di e-

all’interno del complesso proteico.

4H+ vengono traslocati nello spazio intermembranaper ogni NADH che è ossidato

Il complesso I può accettare e- anche dal NADPH (con bassa efficienza). Il NADPH è preferibilmente riossidato in altre vie (biosintesi) o se necessario attraverso una transidrogenasiNADPH + NAD+ NADP+ + NADH Rifornisce la catena di

trasporto mitocondriale

Si dirige al complesso III


COMPLESSO II (4 subunità proteiche e 5 gruppi prostetici)(Succinato deidrogenasi o Succinato:Ubichinone ossidoreduttasi)

Enzima coinvolto nel ciclo di Krebs, catalizza l’ossidazione del succinato a fumarato a carico del FAD.

Succinato + FAD Fumarato + FADH22H+ 2e-

QH2 Verso il complesso III

Il FADH2 trasferisce i 2 e- 1 alla volta ai centri 2Fe-2S che cedono poi gli e- all’ubichinone (Q) che si riduce a Ubichinolo (QH2) accettando anche 2 H+

dalla matrice.Nel complesso II è presente anche un gruppo eme b che protegge dalla formazione di specie reattive dell’O2 (ROS): “acchiappa e- in fuga”

Il complesso II non è associato ad una pompa protonica, d’altra parte la redox che avviene non libererebbe energia sufficiente ad attivare la traslocazione di H+

La formazione di radicali liberi dell’O2 è frequente durante il trasporto di e-. Sono però vari i meccanismi di difesa dalle specie reattive dell’O2 (ROS).

Altri agenti antiossidanti oltre al glutatione sono l’ac. Ascorbico, le vitamine E, A che agiscono come trappole di radicali liberi.

Nelson-Cox, I principi di Biochimica di Leningher 5/E, Zanichelli Ed. S.p.A. Copyright © 2010

L’ubichinone o coenzima Q rappresenta il punto di raccolta degli e- provenienti dai processi ossidativi catabolici.

β-ossidazione acidi grassi: si producono equivalenti riducenti

di FADH2

(ETF) Flavoproteina trasportatrice di e-

Nelson-Cox, I principi di Biochimica di Leningher 5/E, Zanichelli Ed. S.p.A. Copyright © 2010

Sistema navetta glicerolo 3-fosfato (elettroni del NADH citosolico prodotto nella glicolisi)


COMPLESSO III (11 componenti)(Ubichinolo:citocromo c ossidoreduttasi)

Subunità principali:2 coppie di Citocromo b

(2 gruppi eme: bH e bL)2 coppie di Citocromo C1

(1 gruppo eme c1)2 coppie di ISP

(1 centro 2Fe-2S)

Questi dimeri sono inseriti nella membrana mit. interna.

Citocromo C = accettore finale di e-

È una subunità mobile e solubile, nello stato ossidato si associa al complesso sul lato esterno.

I citocromi hanno come gruppo prostetico dei gruppi eme che coordinano uno ione Fe3+ = centro redox adibito al trasferimento di elettroni

contiene 1 centro 2Fe-2S in cui il Fe è coordinato anche da residui di His

cit c

Eme c1

citocromo c1

citocromo b

Fe-protoporfirina IX (citocromi b, Hb, Mb) Eme c (citocromi c) legato alla proteina con legami tioeteri

Eme a (citocromi a)

Suddivisi in base allo spettro di assorbimento della luce. Hanno potenziali di

riduzione differenti (a seconda delle interazioni stabilite dal Fe

con i residui amminoacidicidella proteina)

Ossidazione del QH2 nel complesso III

A) 1a molecola di QH2 si lega vicino all’eme bL : rilascia 2 elettroni e si ossida a Q liberando 2H+ nello spazio intermembrana

1e- Eme bL Eme bH Q

H+

e-

QH·

1e-ISP (Fe2-S2) Eme c1 Cit c

B) 2a molecola di QH2: rilascia 2 elettroni e si ossida a Q liberando 2H+ nello spazio intermembrana

1e- Eme bL Eme bH

QH2H+

e-

QH·

1e-ISP (Fe2-S2) Eme c1 Cit c

dalla matriceRimane legato nel complesso

Complesso IV

Rilasciato dalla matrice

Complesso IV

Per ogni 2 QH2 riossidati si riforma 1 QH2: complessivamente 2 e- sono trasferiti sul cit. c e 4 H+ sono traslocati nello spazio intermembrana


COMPLESSO IV (13 subunità) – proteina transmembrana- (citocromo c ossidasi)

Catalizza l’ossidazione del citocromo c e la riduzione dell’O2 ad H2O

Subunità I = 3 centri redox: eme a (Fe3+)eme a3 (Fe3+)CuB

Riduce l’O2

Tutti i centri redox del complesso IV trasferiscono 1 e- per volta. Per ridurre

completamente l’O2 ad H2O occorrono 4 e-

(quindi devono giungere al complesso IV 4 citc ridotti) e 4H+ (sottratti dalla matrice).

Centro binucleare

2H+

2H+ 1 H2O2H+

2CytC2 e-

½ O2Il passaggio di e- attraverso i centri redox libera energia sufficiente da attivare una canale protonico: 2H+ traslocati fuori per ogni ½ O2

che viene ridotto ad 1 H2O

Subunità II = 1 centro redox: CuA (centro binucleare a 2 atomi di rame) riceve e- dal CytCrid

Per ogni NADH riossidato i complessi della catena di trasporto degli e- traslocano 10 H+ nello spazio intermembrana, per ogni FADH2 riossidato sono traslocati 6 H+.

1NADH >>>> 10 H+out >>>> ½ O2 → H2O

1 FADH2 >>>> 6 H+out >>>> ½ O2 → H2O

Nella catena di trasporto sono trasferiti 2 e-

Riduzione completa di O2

2NADH >>>> 20 H+out >>>> O2 → 2H2O Trasferimento di 4 e-

Riduzione completa di O2

2FADH2 >>>> 12 H+out >>>> O2 → 2H2O Trasferimento di 4 e-

I complessi I, III e IV generano un gradiente protonico che è sia un gradiente diconcentrazione [H+] sia un gradiente elettrico. L’energia libera rilasciata dallereazioni redox lungo la catena di trasporto degli e- viene immagazzinata comeFORZA MOTRICE PROTONICA (teoria chemiosmotica di Mitchell)

Spazio intermembrana

Matrice

+ -A cavallo della membrana mitocondriale interna si

stabilisce una differenza di potenziale elettrochimico (differenza di carica e di pH)


FORZA MOTRICE PROTONICA

I protoni sono spinti a rientrare nella matrice secondo gradiente e ciò rende disponibile energia

libera che viene utilizzata per la sintesi di ATP

La porta d’accesso verso la matrice per i protoni è il canale protonico

dell’ATP-sintasi, l’enzima che sintetizza ATP.

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